Einflüsse auf die Produktqualität bei der Herstellung von TVP und HMMA

Die Herstellung von pflanzenbasierten Proteinen, sowohl die trockene Variante TVP als auch die Variante mit hohem Wasseranteil, HMMA bringen verschiedenste Herausforderungen mit sich. So kann zum Beispiel das Fließverhalten von erbsen- oder lupinenbasierten Rohstoffen sehr problematisch sein. Statische Elektrizität oder ein hoher Fettgehalt können bewirken, dass Pulver zusammenkleben und an der Oberfläche der Förderleitungen und Dosiervorrichtungen haften. Zudem beeinflussen unterschiedliche Parameter den thermomechanischen Extrusionsprozess für pflanzenbasierte Proteine. Feuchtigkeit, Druck, Temperatur und Scherkräfte haben einen großen Einfluss auf die Qualität des gewünschten Endprodukts.

Neben dem Prozess-Know für den gesamten Prozess, lassen sich die Herausforderungen bei der Herstellung von pflanzenbasierten Proteinen in vier Hauptkategorien einteilen: Rezeptur, Prozessfeuchtigkeit, Energieeintrag und Austrag.

Den größten Einfluss dieser vier Faktoren auf das Endprodukt hat die Rezeptur. Mit der geeigneten Rezeptur lassen sich mittels Extrusion hochwertige pflanzenbasierte Proteintexturate herstellen – vorausgesetzt die Rohmaterialien erfüllen die dafür erforderliche Qualität. Es ist nicht möglich, hochwertige Produkte zu produzieren, wenn die Rezeptur nicht stimmt – unabhängig davon, in welchem Umfang die drei anderen Faktoren optimiert sind. Außerdem ist zu beachten, dass Veränderungen an einem der Faktoren auch die anderen drei beeinflussen. Diese gegenseitige Wechselwirkung erschwert den Prozess der Qualitätskontrolle erheblich.

In diesem Beitrag zeigen wir Ihnen, welche Faktoren bei der Produktion von pflanzenbasierten Proteintexturaten besondere Aufmerksamkeit erfordern. Da sich der Produktionsprozess und die für die Qualität maßgeblichen Faktoren unterscheiden, betrachten wird TVP (Texturierte Pflanzenproteine, geringer Wasseranteil) und HMMA (Fleischanaloge mit hohem Wasseranteil) getrennt voneinander.

Während bei der Produktion von TVP die zentrische Food-Granulierung ZGF am Verfahrensteil des ZSK Food-Extruders angebracht ist, um das Produkt direkt an der Düsenplatte zu schneiden, wird HMMA mithilfe einer speziellen Kühldüse ausgetragen. Es entsteht ein Produktstrang mit einer Textur, die echtem Fleisch sehr nahekommt.

Verschiedene Merkmale des Produkts definieren die Qualität von TVP. Textur, Länge und Stärke der Fasern sollten dem Fleisch-Äquivalent möglichst nahekommen. Schüttdichte, Form und die Beschaffenheit der Extrudatoberfläche sind ebenfalls wichtige Merkmale.
Die Proteinquelle und ihre Eigenschaften haben Einfluss auf die erreichbare Qualität des TVPs. Der Proteingehalt sollte zwischen 50 und 80 Prozent liegen. Ein höherer Proteingehalt kann zu einem gummiartigen Produkt führen.

Proteinpulver haben eine begrenzte Fähigkeit, Wasser zu binden. Wird dem Extrusionsprozess zu viel Feuchtigkeit zugeführt, sind eine hellere Farbe, eine weichere und breiige Textur sowie weniger sichtbare Fasern die Folge. Grund ist die geringere Viskosität der Mischung. Auch die Temperatur und der Druck im Extruder sinken aufgrund des zusätzlichen Wassers. Ist die Menge an Feuchtigkeit optimal gewählt, entsteht eine feste Textur mit sichtbaren Fasern.

Die mechanische Energie, die bei der Extrusion in das TVP eingetragen wird, stammt von der Schneckendrehzahl und der Schneckenkonfiguration des Food Extruders. Werden diese Parameter geändert, ändert sich der Energieeintrag in den Prozess. Ein höherer Energieeintrag bedeutet, dass das Produkt wärmer wird und sich ausdehnt. Zu viel Wärme kann das Produkt jedoch bräunen. Seine Optik wird verändert. Wenn der Energieeintrag zu gering ist, erfolgt keine Expansion des Produkts, und die TVP-Textur ist minderwertig.

Das TVP-Produkt verlässt den ZSK Food Extruder durch eine Lochplatte, an der die Produktfasern ausgerichtet werden. Es folgt die zentrische Granulierung ZGF, die die Schmelzestränge zu Granulat schneidet. Die Lochplatte richtet die Fasern aus und sorgt gleichzeitig für einen Druckabfall, wodurch das Texturat expandiert und eine poröse Struktur bekommt.

Faserlänge und -stärke sind Qualitätsmerkmale von HMMA – ebenso wie die Textur des Produkts und dessen Festigkeit. Weitere Parameter für HMMA sind Aroma und Farbe, da HMMA oft in Fertiggerichten zum Einsatz kommt.

HMMA enthält 50 bis 70 Prozent Wasser und 30 bis 50 Prozent Protein, bei weniger als 10 Prozent Fettgehalt. Ein höherer Fettgehalt verursacht breiige Fasern mit einer geringen Faserstärke. Die Prozessfeuchtigkeit ist ein kritischer Parameter für die HMMA-Qualität und wird durch die Wasserzugabe, den Feuchtegehalt des Rohmaterials und die mögliche Wasserbindung der Rohstoffe bestimmt. Bei geringer Wasserbindekapazität des Proteins kann die Zugabe von Stärke oder Fasern die Produktqualität verbessern. Zu viel Wasser verleiht dem Produkt eine spröde Textur und eine hellere Farbe.

Die mechanische Energie, die bei der Produktion in das HMMA eingebracht wird, stammt von den Schnecken und die Wärmeenergie aus der Beheizung der Extrudergehäuse. Schneckendrehzahl und -konfiguration sind kontrollierbare Variablen, die Einfluss auf die Faserqualität und Textur nehmen. Dank der großen Bandbreite möglicher Schneckendrehzahlen des ZSK Food-Extruders können unterschiedlichste Rohmaterialien mit verschiedensten Eigenschaften verarbeitet werden. In Abhängigkeit davon entsteht bei niedrigen Drehzahlen (~300 min^-1) häufig HMMA mit einer weicheren Struktur. Ihre Faserschichten brechen leicht. Drehzahlen in mittlerer Höhe (~600 min^-1) können Produkte mit einer gleichmäßigen Textur und mit Faserschichten erzeugen, die sich problemlos trennen lassen. Hohe Drehzahlen (~1200 min^-1) führen meist zu einer festen HMMA-Produkttextur mit schwer trennbaren Schichten. Ändern sich die Rohmaterialien, muss auch die Schneckendrehzahl des ZSK Food-Extruders angepasst werden, um die gewünschte Produktstruktur zu erhalten.

HMMA wird über eine Kühldüse ausgetragen, die die fasrige Textur des Endprodukts erzeugt. Die Fließgeschwindigkeit durch diese Kühldüse sowie deren Temperaturprofil spielen eine große Rolle für die Produktqualität. HMMA-Produkte sind – anders als TVP – nicht porös. Sie weisen eine feste, faserige Textur auf, die ihren Fleisch-Äquivalenten nahekommt.

HMMA tritt als Endlosstrang aus der Kühldüse aus. Durch nachträgliches Bearbeiten, wie beispielsweise Schneiden, kann im nächsten Prozessschritt eine Vielzahl von Formen und Profilen erzeugt werden.

Grundsätzlich gilt, dass bei der Herstellung von TVP und HMMA sowohl die vier Einzelfaktoren sowie die nahtlose Integration aller Prozessschritte in den Gesamtprozess entscheidend für die Produktqualität sind. Coperion realisiert mit seinem umfassenden Verfahrens-Know-how komplette Systeme für pflanzenbasierte Proteine aus einer Hand, bei denen der Extruder erstklassig auf das Fördersystem, die Dosierer, Granulierung oder Kühldüse abgestimmt sind. Dies ist ein großer Vorteil im Vergleich zu Produktionsanlagen, die aus Aggregaten verschiedener Anbieter zusammengesetzt werden.